中大新聞中心

2019年10月24日

中大工程学院开发全新成像方法提升三维成像速度 促进生物医学领域研究

2019年10月24日
分享
列印

陈世祈教授

陈世祈教授(前排右一)及其研究团队。

研究人员使用传统的逐点扫描(a)和新的压缩感知方法(b)对花粉分别进行双光子萤光成像。其中,逐点扫描需2.2秒,而压缩感知耗时仅为0.55秒。

研究人员已开发基于数码微镜阵列的双光子显微镜,可在不影响解析度的情况下将双光子显微镜的成像速度提高三至五倍。双光子显微镜系统的CAD模型如左图所示,实际系统的内部如右图所示。

香港中文大学(中大)工程学院机械与自动化工程学系陈世祈教授及其团队,结合压缩感知演算法与数码全息显微镜,开发了一种高速成像方法,在1秒内即可完成对三维样品的双光子萤光成像,速度是传统点扫描方法的3至5倍。相关研究成果近日于著名期刊Optics Letters发表。

由于神经活动一般在十毫秒量级的时间内完成,传统的显微镜难以直接观察这些现象;而这种新型并基于压缩感知的双光子显微镜,则可以用于对生物的神经分布进行三维成像,并同时观察几百个神经元的活动。 

新多焦点镭射扫描法 打破双光子显微镜扫描速度限制

双光子显微镜利用汇聚的红外超快脉冲镭射在样品中,与萤光标贴互动以制成图像,并已经广泛应用于生物学研究中。与常规显微镜比较,双光子显微镜能够在深达1毫米的活体组织中进行高解析度三维成像。然而,由于萤光讯号十分微弱,使双光子显微镜的成像速度受到限制。 

为了提升扫描速度,研究团队开发了基于数字微镜器件的多焦点镭射扫描方法。这项研究解决了数位微镜器件无法调制超快镭射的问题,使之能被集成及应用于超光镭射光束整形、脉冲整形,以及双光子成像中。 

数字微镜器件将镭射汇聚到样本随机选择的30个光点位置上,每个光点的位置和强度由数字微镜器件上投射的二进位全息图控制。在每次测量时,数字微镜器件更新其投射的二值全息图以改变每个焦点的位置,并使用单像素检测器记录双光子萤光的强度。数字微镜多焦点扫描较传统机械式扫描更灵活快捷,惟扫描速度仍然受制于数字微镜器件的刷新率。 

结合压缩感知演算 进一步提升成像速度

研究人员在这个研究中,通过结合压缩感知演算法与数码全息显微镜,进一步提高了成像速度。这种方法将图像测量和压缩「同步进行」,在较少的测量次数下即可完成图像采集,随后使用算法从测量结果中重建图像。这种方法用于双光子显微镜时,可以将测量次数减少70%至90%。 

通过模拟实验确定新方法的效果与参数后,研究人员用双光子成像实验测试了这种新的方法,证明了该技术能够实现高速及高品质的三维成像。例如,此方法只需0.55秒对花粉进行三维成像,相比之下传统的逐点扫描相同图像则只需2.2秒。 

陈世祈教授表示:「这个方法可以将成像速度提升3至5倍,并保持同等的解析度。我们相信这种新方法可以让生物与医学领域例如光遗传学有新发现。团队正努力进一步提高重建演算法的速度和图像质素,并计划将数字微镜器件与其他先进的成像技术结合使用,以进行对更深层组织的成像。」



陈世祈教授

陈世祈教授

 

陈世祈教授(前排右一)及其研究团队。

陈世祈教授(前排右一)及其研究团队。

 

研究人员使用传统的逐点扫描(a)和新的压缩感知方法(b)对花粉分别进行双光子萤光成像。其中,逐点扫描需2.2秒,而压缩感知耗时仅为0.55秒。

研究人员使用传统的逐点扫描(a)和新的压缩感知方法(b)对花粉分别进行双光子萤光成像。其中,逐点扫描需2.2秒,而压缩感知耗时仅为0.55秒。

 

研究人员已开发基于数码微镜阵列的双光子显微镜,可在不影响解析度的情况下将双光子显微镜的成像速度提高三至五倍。双光子显微镜系统的CAD模型如左图所示,实际系统的内部如右图所示。

研究人员已开发基于数码微镜阵列的双光子显微镜,可在不影响解析度的情况下将双光子显微镜的成像速度提高三至五倍。双光子显微镜系统的CAD模型如左图所示,实际系统的内部如右图所示。

 

下载所有相片